Διερεύνηση επιρροής ανέμου και χαρακτηριστικών παραμέτρων του στον σχεδιασμό τοξωτής μεταλλικής γέφυρας - Κοντώση, Ελένη (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών, 2015)
Ένας μελετητής που σχεδιάζει μία γέφυρα και καλείται να υπολογίσει τα φορτία ανέμου που επιδρούν σε αυτή βασίζεται στις διατάξεις του ΕΝ 1991 Μέρος 1-4. Ωστόσο ο κανονισμός αυτός έχει αρκετά μεγάλη πολυπλοκότητα, σημαντικούς περιορισμούς ως προς την εφαρμογή του καθώς και αρκετές απλουστευτικές μεθοδολογίες. Για παράδειγμα, ο κανονισμός αυτός δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε περιπτώσεις τοξωτών γεφυρών αλλά και άλλων γεφυρών που είναι ιδιαιτέρως ευαίσθητες στα φορτία ανέμου. Είναι σημαντική λοιπόν η ανάλυση των παραμέτρων που επηρεάζουν τα φορτία του ανέμου, η κατανόησή τους και η παραμετροποίηση του προβλήματος του υπολογισμού των φορτίων αυτών ώστε να διερευνηθεί η επιρροή της κάθε παραμέτρου ξεχωριστά αλλά και σε συνδυασμό στην απόκριση μιας κατασκευής. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται μία αναλυτική εφαρμογή του ΕΝ 1991 Μέρος 1-4 σε μία μεταλλική τοξωτή γέφυρα. Η γέφυρα που μελετάται αποτελείται από δύο αμφιέρειστα ανοίγματα θεωρητικού μήκους 42.00m το καθένα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με πλάκα συνέχειας. Το θεωρητικό πλάτος του καταστρώματος ισούται με 14.70m. Το κατάστρωμα της γέφυρας είναι σύμμικτο και το κάθε άνοιγμα αποτελείται από δύο κύριες δοκούς και δεκαεφτά διαδοκίδες. Κάθε κύρια δοκός αναρτάται από ένα τόξο με τη χρήση αναρτήρων ενώ τα δύο τόξα του κάθε ανοίγματος συνδέονται μεταξύ τους με εγκάρσια και διαγώνια μέλη δυσκαμψίας. Το ύψος των τόξων είναι ίσο με 10.00m. Οι δοκοί, οι διαδοκίδες, τα τόξα και οι σύνδεσμοι δυσκαμψίας έχουν κατασκευαστεί από δομικό χάλυβα. Το μεσόβαθρο αποτελείται από τη δοκό έδρασης και τρεις στύλους κυκλικής συμπαγούς διατομής από οπλισμένο σκυρόδεμα και έχει ύψος 10m συμπεριλαμβανομένης της δοκού έδρασης. Τα ακρόβαθρα θεωρούνται πολύ δύσκαμπτα σε σχέση με τη γέφυρα και γι’ αυτό θεωρούνται ακλόνητα. Στην παρούσα εργασία γίνεται μία αναλυτική παρουσίαση και επεξήγηση των παραμέτρων του ανέμου και των σχέσεων που προσδιορίζουν τις ταχύτητες, πιέσεις και δυνάμεις λόγω ανέμου και επιλέγονται κατάλληλα οι παράμετροι που είναι απαραίτητες για την ανάλυση. Οι παράμετροι αυτές αφορούν την ταχύτητα του ανέμου, την τραχύτητα του εδάφους, τη μορφή της κοιλάδας, το ύψος του μεσοβάθρου και την επιλογή των διατομών. Επίσης, από τα δυναμικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά της γέφυρας προσδιορίζεται και ο συνδυασμένος δυναμικός συντελεστής της γέφυρας που προσαυξάνει τα φορτία ανέμου προκειμένου να ληφθεί υπόψη το δυναμικά φαινόμενα λόγω του ανέμου. Επίσης, ελέγχεται η απόκριση της γέφυρας και η τήρηση όλων των ορίων ασφαλείας που θέτει ο Ευρωκώδικας 1 στο σύνολό του για όλα τα στατικά (ίδια βάρη, φορτία κυκλοφορίας, θερμικά φορτία και φορτία ανέμου) και δυναμικά (σεισμός) φορτία που δρουν στην γέφυρα. Γενικά παρατηρείται ότι τα μέλη που επηρεάζονται περισσότερο από τα στατικά φορτία ανέμου είναι τα τόξα και οι κύριες δοκοί, χωρίς ωστόσο να παρατηρείται κάποια υπέρβαση τάσεων. Από τα σεισμικά φορτία επηρεάζονται κυρίως το μεσόβαθρο καθώς και οι οριζόντιοι και διαγώνιοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας. Τέλος, στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας διενεργείται παραμετρική ανάλυση, όπου αξιολογούνται οι βασικές παραδοχές και η επιρροή τους στον υπολογισμό των φορτίων και των εντατικών μεγεθών των μελών της γέφυρας. Συγκεκριμένα, στην παραμετρική ανάλυση διερευνάται η επίδραση της βασικής ταχύτητας του ανέμου στα φορτία και την απόκριση της κατασκευής. Επίσης διερευνάται πώς επηρεάζει ο συντελεστής τραχύτητας του εδάφους τα αποτελέσματα διενεργώντας αναλύσεις για κάθε κατηγορία εδάφους, καθώς και πώς επηρεάζει τα φορτία ο συντελεστής αναγλύφου εδάφους επιλέγοντας διαφορετικό ύψος αναφοράς για τη γέφυρα και διαφορετική κλίση της κοιλάδας. Τέλος, γίνεται διερεύνηση του συνδυασμένου δυναμικού συντελεστή για τα φορτία ανέμου και της επίδρασης των γεωμετρικών και δυναμικών χαρακτηριστικών της γέφυρας στον υπολογισμό του. Από την παραμετρική ανάλυση προέκυψε πως η ταχύτητα του ανέμου είναι η βασική παράμετρος που επηρεάζει σημαντικά την απόκριση της κατασκευής, ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι μεταβάλουν κυρίως τα φορτία ανέμου και δευτερευόντως την απόκριση της γέφυρας. Συγκεκριμένα, η κατηγορία εδάφους μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση έως 55% των φορτίων, ο συντελεστής αναγλύφου εδάφου σε αύξηση έως 16% και ο συνδυασμένος δυναμικός συντελεστής μπορεί να οδηγήσει ακόμη και σε αύξηση 100%. Ωστόσο, επειδή τα φορτία του ανέμου είναι γενικώς μικρά συγκριτικά με τα υπόλοιπα φορτία της γέφυρας οι αυξήσεις αυτές δεν επηρεάζουν σημαντικά την συνολική απόκριση της γέφυρας. Η διπλωματική αυτή εργασία διεξάγεται στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος EUROSTARS "BridgeCloud" με τίτλο «Αεροδυναμική Ανάλυση βασισμένη σε προσομοίωμα γεφυρών μεγάλου ανοίγματος στο HPC Cloud», το οποίο έχει ως στόχο την ανάπτυξη ενός εικονικού εργαστηρίου σχεδιασμού για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης ανέμου-γέφυρας με ημι-αυτόματη προσομοίωση με τεχνολογία ΒΙΜ που περιλαμβάνει δημιουργία πλέγματος, αριθμητική ανάλυση της αλληλεπίδρασης ανέμου-γέφυρας και τεχνολογία cloud computing, παρέχοντας έτσι μία εύκολη στη χρήση, εκλεπτυσμένη λύση για τον σχεδιασμό γεφυρών από ΜΜΕ.